Мюоните са навсякъде. Без да усещаме, няколкостотин от тях се удрят в главата ни всяка секунда. Тези субатомни частици, създадени, когато космическите лъчи навлизат в земната атмосфера, са безвредни и бързо се разпадат на по-леки частици.

Частиците проникват в обекти като рентгеновите лъчи, което ги прави полезни за учените, които използват мюони, за да разкрият скрита камера в Голямата пирамида на Египет преди четири години.

Учените използват призрачните мюони и за да картографират вътрешната структура на вулканите, което един ден може да помогне за прогнозиране на опасни изригвания според статия, публикувана миналата седмица в Proceedings of the Royal Society.

Изследователите измерват доколко успешно частиците преминават през магмата, протичаща през пещери, камери и скалисти проходи под вулканите, след което използват тази информация, за да създадат геоложки карти, съобщава Джовани Леоне (Giovanni Leone), геофизик от Университета в Атакама в Чили и водещ автор на изследването.

Техниката, известна като мюография, може един ден да бъде "основната система за откриване на магма", разказва Леоне пред The New York Times, добавяйки, че техниката дава възможност да се проследяват движенията на магмата, които могат да предхождат изригванията.

Рентгеново изследване на вътрешността на вулкан

Мюоните са като масивни, бързи електрони - те са от едно семейство - лептони, и имат отрицателен заряд, но са 207 пъти по-масивни от електроните и се носят със скорост почти колкото на светлината. Тази маса и скорост позволяват на частиците да проникнат в плътни материали като вулканичните скали. Колкото по-плътен е обектът, толкова по-бързо мюоните губят скорост и се разпадат.

Огромно количество мюони могат да преминат през един вулкан. Но ако вулканът е достатъчно плътен – да речем, защото проходът му е пълен с магма – мюонът няма да стигне от другата страна на вулкана.

За да установят кои мюони са оцелели по време на преминаването, учените поставят мюонни детектори отстрани на няколко вулкана. Тези детектори създават изображение на вътрешността на вулкана като улавят оцелелите мюони, които не са се разпаднали, преминавайки през вулкана и отбелязват пропуските.

Някои изследователи правят това картографиране от въздуха, като позиционират мюонни детектори вътре в хеликоптери и летят близо до фланговете на вулкана.

Кредит: Giovanni Leone et al.

Това е нещо подобно на рентгенова снимка. Ако по време на рентгенова снимка лъчите преминават безпрепятствено, изображението изглежда черно. Но тъй като човешките кости абсорбират част от преминаващите рентгенови лъчи, по-малко от тях достигат до камерата, което означава, че костите ще изглеждат по-светли на изображението.

Във вулканичната мюография учените търсят същия контраст - мюоните, които преминават безпрепятствено, хвърлят тъмни сенки върху мюонния детектор. Но когато мюоните ударят плътни части на вулкана и се разпадат по-бързо, тогава оставят по-светли силуети. Накратко, колкото по-плътен е обектът, толкова по-светъл е силуетът.

Колкото повече мюонни детектори обграждат вулкана – някои могат да бъдат големи почти колкото тенис корт – толкова по-добро е изображението.

Един детектор дава 2D изображение, но с помощта на множество детектори, разположени около обекта, е възможно да се създаде грубо 3D изображени.

Последователни във времето мюографски карти, измерени близо до най-активния кратер на вулкана Сакураджима, Япония (кратер Шоуа), показани за различни интервали на изригване от (a) 0–2 часа, (b) 2–5 часа, (c) 5–10 часа и (d) ≥10 часа. Всяка точка от данни се изчислява чрез осредняване на над 30 мюограми. Кредит: Giovanni Leone et al.

Мюоните биха могли да помогнат за прогнозиране на вулканичните изригвания
Изследователите използват мюография, за да надникнат във вътрешността на японските вулкани Сакураджима и планината Асама, както и три вулкана в Италия – включително Везувий – и карибски вулкан в Гваделупа.

Освен че помага на учените да картографират вътрешността на вулканите, новата статия предполага, че мюографията може да се използва за забелязване на резервоари на магма вътре във вулкани, които се готвят да изригват, и за проследяване на движението на магмата в реално време.

Изригванията често се предшестват от издигане на магма към върха на вулкана и използването на мюони за откриване на потока от магма в тази зона на върха може да помогне на учените да открият предстоящи изригвания – позволявайки на хората безопасно да се евакуират преди изригването.

„Познаването на тези проблеми възможно най-рано печели критично важно време за отговорните местни органи за предупреждение и евакуация“, пишат авторите на изследването, добавяйки, че „прогнозирането на мощни вулканични изригвания е Светият Граал за приложната вулканология“.

Muography as a new complementary tool in monitoring volcanic hazard: implications for early warning systems
Giovanni Leone, Hiroyuki K. M. Tanaka, Marko Holma, Pasi Kuusiniemi, Dezső Varga, László Oláh, Domenico Lo Presti, Giuseppe Gallo, Carmelo Monaco, Carmelo Ferlito, Giovanni Bonanno, Giuseppe Romeo, Lee Thompson et al., Proceedings of the Royal Society 
Published:10 November 2021 https://doi.org/10.1098/rspa.2021.0320

Ghostly subatomic particles help scientists peer inside the guts of dangerous volcanoes, Aylin Woodward, Business Insider